试析圆柱齿轮减速器设计中应考虑的问题
摘 要：本文针对圆柱齿轮减速器设计中应考虑的问题，结合理论实践，在简要阐述圆柱齿轮减速器运行原理的基础上，从传动比分配、齿轮计算、轴计算、箱体设计、辅助零件设计五个方面分析了圆柱齿轮减速器设计过程中需要考虑的问题。旨在提升圆柱齿轮减速器运行的性能和使用寿命。
关键词：圆柱齿轮减速器；传动比；箱体设计；辅助零件
引言
减速器的主要作用降低发动机和工作机之间的转速并提升转矩，被广泛应用在工业生产中，根据结构形式的不同，减速器可分为齿轮减速器、蜗杆减速器、电梯专用减速器等。其中圆柱齿轮减速器具有工作效率高、可靠性强、使用寿命长、保养维护便捷等特性，被广泛应用。本文以二级圆柱齿轮减速器为例，对设计中应考虑的问题做了如下分析：
1 圆柱齿轮减速器工作原理
二级圆柱齿轮减速器的工作原理是通过分布在3根轴上的两对齿轮来达到减速的效果，其中第一级输入轴的带轮比输出轴带轮大，而第二级输入轴的齿轮大、输出轴的齿轮比较小。无论是大齿轮还是小齿轮都是直齿圆柱式齿轮。假设第一级传动比为I1；第二级两个齿轮在啮合时，输入轴齿轮转动一圈，输出轴则要中转动几圈，二者之间的比例可以通过齿数进行计算，假设为I2，则该减速器的中传动比为I=I1+I2。根据能量守恒的原理可知，减速器在运行过程中，输出和输入的总功率可保持不变，在达到减速效果的同时，又能增加扭矩，进而提供更大的动力[1]。二级减速相互作用就实现了电机输出轴到后车轮轴传动的减速。总而言之，就是输入轴带动小齿轮转动，小齿轮通过中间轴带动大齿轮转动，最后由输出轴输出，由于大齿轮齿数比小齿轮齿数多，所以传动速度较慢，最后由输出轴输出时恰好起到减速的作用。
2 圆柱齿轮减速器设计中应考虑的问题
2.1传动比分配
在圆柱齿轮减速器设计中传动比是一项非常重要的参数，总传动比为电机满载转速和工作机转速的比值，是各级传动比的乘积，而各级传动比则和各级齿轮的齿数成反比。从中可知，总传动比的大小，直接决定减速器的外形尺寸和重量，因此，在进行圆柱齿轮减速器传动比分配过程中，要格外注意以下几点：
(1)每级传动比要控制在允许范围值中，并且传动装置的尺寸、型号、规格、结构等要根据圆柱齿轮减速器的实际运行参数进行规定，严禁发生相互干涉。在满足减速器实际运行性能的基础上，尽量减少减速器的外形尺寸和重量。
(2)各级传动装置之间的承载力要尽量相同，比如：齿轮要采用同种材料，确保强度的一致性。
(3)各级传动齿轮浸入油液的深度要尽量一致，避免低速齿轮浸油过深，而造成不必要的损失。在进行圆柱齿轮减速器设计时，还要充分考虑各级齿轮传动时润滑的合理性。两个大齿轮的直径尽量相近，I1的取值要控制在1.3I2~1.4I2之间，其中I1表示高速齿轮的传动比，I2表示低速齿轮的传动比。
2.2齿轮设计计算
齿轮计算是圆柱齿轮减速器设计的重中之重，其计算结果是否精确，直接决定了设计效果。在齿轮计算时，可分两步进行。
第一步，对选择齿轮材料的性能进行分析，确定齿轮的许用应力，如果圆柱齿轮减速器对传递的要求比较高，并且尺寸比较紧凑，可采用经过表面淬火处理的合精钢或者金铸钢作为齿轮材料，硬度控制在55~60HRC之间。
第二步，需要对齿面齿轮失效的弯曲疲劳折断强度进行分析，根据轮齿弯曲强度计算结构进行设计。先计算齿轮的模数，再对齿面的接触强度进行计算。
如果圆柱齿轮减速器的工作条件为一般要求，则第一步可采用经过正火热处理后的碳钢，硬度可达250HBS以上，通过软齿面齿轮组成。点蚀是导致软齿齿轮失效的主要原因，因此，在齿轮设计过程中，需要按照齿轮的接触强度进行合理设计，先计算中心距，然后根据计算结果，选择齿轮数，进而确定齿轮的基本尺寸，最后检验齿轮齿根的完全疲劳强度是否满足设计要求。
2.3轴设计计算
在轴的设计计算也是圆柱齿轮减速器设计的核心环节，也分为两步：
第一步，对轴径进行初步计算，如果轴既传动转矩，又承受弯矩，则轴径的技术公式为：
此公式中，d表示轴径(mm)；P表示轴在传动时的最大功率(kW)；n表示轴转速(r/min)；C表示轴材料和承载情况的常数，如果轴在转动过程中只受到转矩的影响，或者弯矩比较小，则C的取值较小[2]。在初步计算时，还要充分考虑键槽对轴强度的削弱作用，通常情况下，如果圆柱齿轮减速器中只有一个键槽，则设计时d要增加5%，如果有两个键槽则要增加10%。通常情况下，凡高速输入轴的直径d可以按照与其相连的电动机轴直径D进行估算，其取值在0.8~1.2D之间，低速轴的轴径则可以按照同级齿轮中心距a进行估算，其取值为0.4~0.4a之间。
第二步，对比较危险截面的直径进行全面校验。当轴的长度、尺寸确定好以后，还需要对危险截面的直径进行校验，具体计算校验公式为：
此公式中，Me表示当量弯矩；[σ-1b]表示许用弯曲应力。为满足圆柱齿轮减速器运行需求，在设计时齿轮相配合段的直径要大于危险截面直径值，否则需要重新计算最细轴的直径。
2.4箱体设计
在圆柱齿轮减速器中箱体主要作用是确保传动件正确的相对位置，并承受减速器在运行中产生的荷载，需要做好防护措施，避免杂质侵入，造成润滑油流失。箱体设计是否合理，对减速器传动的正确和运行的平稳性有重要影响。因此，在箱体设计中要着重考以下几个方面：
(1)确保箱体刚度满足要求。只有箱体具有足够的刚度，才能确保轴运行的稳定性，不至于在外力的作用下倾斜，保证各个零部件都平稳运行。需要根据经验和公式，设计出最佳的箱体尺寸和形状，并在设置加强肋进行固定[3]。
(2)提升箱座和箱盖接缝的紧密型，防止润滑油沿着接合面向外渗漏，进而提升轴承孔的精度。二者之间通过一定数量的螺栓连接，其中轴承座附近的螺栓要尽量靠近轴承孔，提升连接的刚度。并在轴承座附近设置凸台，其尺寸在设计时要预留出扳手活动空间，为螺栓的紧固提供足够的空间。
(3)提升箱体设计的工艺性。二级圆柱齿轮减速器的箱体多为剖分式，因此，设计时需要充分考虑箱体的造型，要以简单便捷为主，并确保壁厚的均匀性。良好的工艺性可大幅度提升二级圆柱齿轮减速器运行的稳定性。
2.5辅助零件设计
(1)观察孔盖和通气器的设计。观察孔的主要作用是检查齿轮啮合情况和添加润滑油，因此，观察孔要尽量设置是齿轮啮合区上方，以便能够看到传动区齿轮啮合的实际运行情况。为避免润滑油外渗或者杂质进入箱体内部，需要在盖板底部设置纸质封油垫片，并用螺钉进行密封处理[4]。
(2)油标尺设计。油标尺的主要作用是指示箱内油面，需要设置在便于观察的位置，如：低速齿轮附件。在油标尺倾角设计时，要预留出足够的空间，避免在取放油标尺时碰撞箱座。
3 结束语
综上所述，本文结合理论实践，分析了圆柱齿轮减速器设计中应考虑的问题，分析结果表明，圆柱齿轮减速器是目前应用比较广泛的减速器之一，具有稳定性高、操作简单等优势。在具体设计过程中，需要从传动比分配、齿轮计算、轴计算、箱体设计、辅助零件等方面同时入手，才能合理解决中存在的问题，进而提升设计效果。
参考文献
[1]凌建辉，宁斌，张兵兵.单级直齿轮减速器的优化系统开发
[2]戈立江.圆柱齿轮减速器参数化设计
[3]王雪峰，杨彦宏，金碧琼.圆柱齿轮减速器的优化设计
[4]杨馥宁，王洪申，闫金堂，赵红红.双级圆柱齿轮减速器虚拟装配的仿真与优化
作者：谢树江(陕西东方航空仪表有限责任公司)
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